Flow-3D를 이용한 연성 주철(EN-GJS-400-15) 주물의 주조 및 응고 공정 시뮬레이션 – Part I
연구 배경 및 목적
문제 정의
- 연성 주철(EN-GJS-400-15)은 가스관용 소프트 웨지 게이트 밸브 제조에 사용되며, 주조 과정에서 균열 및 수축 공극(shrinkage porosity) 문제가 발생할 수 있음.
- 기존의 경험적 설계 방식은 비용이 많이 들고 최적화가 어려워 컴퓨터 기반 시뮬레이션을 통한 공정 최적화가 필요함.
연구 목적
- Flow-3D를 이용하여 주물(게이트 밸브 DN50, DN100, DN150)의 주조 및 응고 과정을 시뮬레이션.
- 다양한 주조 기술을 평가하여 최적의 주조 방식을 선택하고, 프로토타입 주조 설계를 위한 기초 데이터 제공.
- 게이트 시스템 및 냉각 과정 분석을 통해 기공 형성 위험을 최소화하는 주조 설계 방안을 도출.
연구 방법
CAD 모델링 및 주조 시뮬레이션
- 연구 대상: DN50, DN100, DN150 크기의 게이트 밸브 주물.
- 제공된 2D 도면을 기반으로 CAD 모델을 제작하고 Flow-3D를 이용하여 시뮬레이션 수행.
- 분석 과정:
- 주입 과정(Pouring) 및 응고 과정(Solidification) 시뮬레이션 수행.
- 유체 흐름(Flow Pattern), 열 전달(Heat Transfer), 최종 응고 영역 분석.
주조 기술 변수 및 경계 조건
- 주조 방식: 샌드 몰드(sand mold) 및 메탈 몰드(metal mold) 방식 비교.
- 난류 모델 적용(RNG k-ε) 및 자유 표면 추적을 위한 VOF(Volume of Fluid) 기법 사용.
- 주요 분석 항목:
- 주물 내 냉각 속도 및 최종 응고 위치.
- 말굽 와류(horseshoe vortex) 및 유체 재순환이 수축 공극 형성에 미치는 영향.
주요 결과
주입 및 응고 패턴 분석
- DN150 게이트 밸브의 경우 주입 후 208초에서 307초 사이에 응고 완료됨.
- 냉각 속도가 빠른 외곽부에서는 조기 응고 발생, 중심부에는 응고가 지연되어 수축 기공(shrinkage porosity) 형성 위험 증가.
- Flow-3D 시뮬레이션 결과, 기존 설계보다 더 효율적인 냉각 및 주입 시스템 필요함을 확인.
최적 주조 설계 도출
- 최적화된 주조 시스템은 주물의 형상과 열전달 조건을 반영한 냉각 경로를 고려해야 함.
- CAD/CAE(Computer-Aided Engineering) 기법을 활용하여 몰드 및 주입 시스템 설계를 개선.
결론 및 향후 연구
결론
- Flow-3D 시뮬레이션을 통해 주조 공정의 최적화가 가능하며, 기존 방식보다 더 정밀한 설계가 가능함을 확인.
- 주조 과정에서의 유체 흐름, 응고 거동, 수축 기공 발생 위치를 사전에 예측 가능하여 불량률을 줄일 수 있음.
- DN150 게이트 밸브의 경우, 기존 설계보다 향상된 주입 및 냉각 전략을 적용하여 품질을 개선 가능.
향후 연구 방향
- DN50 및 DN100 크기 밸브에 대한 추가 시뮬레이션 연구 진행 예정.
- 다양한 주물 형상 및 합금 소재에 대한 응용 연구.
- 실제 생산 데이터와의 비교를 통해 시뮬레이션 모델의 정밀도 향상.
연구의 의의
이 연구는 Flow-3D를 이용하여 연성 주철 주물의 주조 및 응고 과정을 정량적으로 분석하고 최적의 주조 기술을 제시하였다. 컴퓨터 기반 시뮬레이션을 통해 불량률을 최소화하고 생산성을 향상시킬 수 있음을 입증하였다.
References
- Gwiżdż A., Żuczek R., Nowak M. (2012). Analiza stanu naprężeń w konstrukcjach odlewu korpusu, pokrywy i klina zasuw klinowych do gazu. Prace Instytutu Odlewnictwa, 52(4), 133–160.
- Gwiżdż A., Małysza M., Nowak M. (2012). Badania modelowe i analiza rozpływu metalu i krzepnięcia w formach odlewniczych. Sprawozdanie z zadania nr 4 projektu celowego NOT ROW-III-209/2012.
- Instrukcja Flow-3D V.10 manual.
- Allison J., Backman D., Christodoulou L. (2006). Integrated Computational Materials Engineering: A New Paradigm for the Global Materials Profession. JOM, 11, 25–27.
- Maj M., Piekło J. (2009). MLCF – an optimised program of low-cycle fatigue test to determine mechanical properties of cast materials. Archives of Metallurgy and Materials, 54(2), 393–397.
- Ignaszak Z., Mikołajczyk P. (2007). Problem empirycznych parametrów pre-processingu na przykładzie symulacji krzepnięcia i zalewania odlewów z żeliwa sferoidalnego. Innowacje w odlewnictwie, Część I, Instytut Odlewnictwa, Kraków, 301–309.
- Tabor A., Rączka J.S. (1998). Projektowanie odlewów i technologii formy. Kraków: Wyd. FOTOBIT.
- Sorelmetal (2006). O żeliwie sferoidalnym. Warszawa: Metals Minerals Sp. z o.o.